Tween60对P(AM-SMA)水凝胶溶胀性能的影响

第第IV页摘要通过丙烯酰胺（AM）和甲基丙烯酸十八烷酯（SMA）的共聚反应，并调控聚氧乙烯失水山梨醇醚硬脂酸（Tween60）的添加量，成功制备了P（AM-SMA）水凝胶。利用傅立叶变换红外光谱技术对水凝胶样品进行结构分析，通过特征峰的识别和归属，证实了P（AM-SMA）水凝胶的成功制备。随后，系统考察了不同矿化度、不同酸碱度等环境因素对水凝胶溶胀性能的影响，监测15天内溶胀比随时间变化特性。溶胀实验显示，水凝胶在0mg/L矿化度下的溶胀效果最好，溶胀度可达到13.06倍，在pH值为11条件下，水凝胶展现出了出色的溶胀特性，其溶胀度能够达到15.14倍。通过拉伸性能测试及拉伸性能性能曲线表明，Tween60的添加量为0.15g的水凝胶表现出了最优的拉伸性能，最大拉伸度为7.80倍。通过1.5kg的承重测试进一步证实了该水凝胶具有良好的力学承载性能。此外，经过多次形变及重塑实验验证，所制备的P（AM-SMA）水凝胶展现出了理想的机械性能和可加工性。关键词：Tween60；P（AM-SMA）水凝胶；溶胀性能AbstractTheP(AM-SMA)hydrogelwassuccessfullypreparedthroughthecopolymerizationofacrylamide(AM)andoctadecylmethacrylate(SMA),withtheadditionamountofpolyoxyethylenesorbitanesterstearate(Tween60)beingadjusted.Fouriertransforminfraredspectroscopywasusedtoanalyzethestructureofthehydrogelsamples,andthesuccessfulpreparationofP(AM-SMA)hydrogelwasconfirmedthroughtheidentificationandassignmentofcharacteristicpeaks.Subsequently,theeffectsofdifferentmineralizationdegreesandpHlevelsontheswellingpropertiesofthehydrogelweresystematicallyinvestigated,monitoringtheswellingratioover15days.Theswellingexperimentsshowedthatthehydrogelhadthebestswellingeffectatamineralizationdegreeof0°mg/L,achievingaswellingdegreeof13.06times.UnderpHconditionsof11,thehydrogelexhibitedexcellentswellingcharacteristics,withaswellingdegreereaching15.14times.TensilepropertytestsandtensileperformancecurvesindicatedthatthehydrogelwithanaddedamountofTween60at0.15gdemonstratedoptimaltensileperformance,withamaximumtensileelongationof7.80times.Aload-bearingtestof1.5kgfurtherconfirmedthatthehydrogelhasgoodmechanicalload-bearingproperties.Additionally,multipledeformationandreshapingexperimentsverifiedthatthepreparedP(AM-SMA)hydrogelexhibitedidealmechanicalpropertiesandprocessability.KeyWords:Tween60;P(AM-SMA)hydrogel;swellingproperties目录摘要 IAbstract II1绪论 11.1水凝胶 11.1.1水凝胶的简介及特点 11.1.2水凝胶的分类 21.2聚丙烯酰胺水凝胶 21.2.1聚丙烯酰胺水凝胶的简介 21.2.2聚丙烯酰胺水凝胶的应用 21.3原料简介 31.3.1丙烯酰胺(AM) 31.3.2甲基丙烯酸十八烷基酯(SMA) 31.3.3聚氧乙烯失水山梨醇醚硬脂酸酯(Tween60) 31.3.4N,N'-亚甲基双丙烯酰胺（MBA） 31.4实验研究思路 42实验部分 52.1实验原理 52.1.1实验合成原理 52.1.2实验药品及仪器 62.1.3合成水凝胶用量 72.1.4P(AM-SMA)水凝胶的制备实验过程 82.2水凝胶的性能测试方法 92.2.1水凝胶的红外测试 92.2.2水凝胶的溶胀测试 92.2.3水凝胶的拉伸测试 102.2.4水凝胶的形变测试 112.2.5水凝胶的承重测试 112.2.6水凝胶的重塑测试 113结果与讨论 123.1水凝胶的红外表征及谱图分析 123.2水凝胶的溶胀性能评价 133.2.1Tween60含量对溶胀性能影响 133.2.2矿化度对溶胀性能的影响 153.2.3酸碱度对溶胀性能的影响 183.3水凝胶的拉伸性能评价 213.4水凝胶的形变性能评价 223.5水凝胶的承重性能评价 233.6水凝胶的重塑性能评价 24结论 25参考文献 261绪论1.1水凝胶概述1.1.1水凝胶的简介及特点水凝胶是由亲水性高分子形成的交联网络，其溶胀过程伴随着对水分的强结合作用，既不会引起溶液结构的改变，也不会因吸水而发生溶解。REF_Ref20601\r\h[1]由于主链结构及亲水基团之间的缠绕与化学交联，此类聚合物在空间排列上被赋予三维网络特征。REF_Ref21170\r\h[2]这类三维交联高分子网络不仅能够有效截留大量水分子，其持水容量与交联密度之间更存在显著的反比关系，即交联程度越低，材料的膨胀系数就越高。特别值得注意的是，该体系展现出优异的水分吸脱附可逆性：当环境相对湿度上升时，凝胶网络会自发释放储存的水分以维持湿度平衡；反之，在干燥条件下又能重新捕获环境中的水分子，确保湿润状态的持续。1.1.2水凝胶的分类水凝胶的分类体系主要依据三个关键维度：聚合物原料来源、交联网络构建方式以及环境刺激响应特性。这种多维分类方法能够系统地表征不同水凝胶的材料特性。REF_Ref21225\r\h[3]（1）从聚合物原料的来源特性出发，水凝胶材料体系主要呈现两种基本形态：一类是天然基质构建的水凝胶，另一类则是通过化学合成获得的水凝胶。天然基水凝胶是以生物源高分子为建构单元，通过分子间相互作用形成三维网络结构REF_Ref21271\r\h[4]，得益于其固有的生物相容性和降解性，此类水凝胶在食品科学、医药递送及组织工程等生物医学领域具有重要医用价值。合成高分子水凝胶则是由合成高分子材料，如聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯醇等合成材料为原料，通过化学交联形成的REF_Ref21320\r\h[5]，合成水凝胶可以根据设计和调节性能，具有良好的稳定性和可重复性，被广泛应用于人工器官领域。（2）基于交联网络的构建原理，水凝胶可系统性地分为物理交联和化学交联两大类别。物理交联水凝胶的三维网络形成主要依靠多种非共价相互作用，如离子键合、氢键网络构建以及高分子链的物理互缠等机制，这类水凝胶具有动态可逆特性，其交联点可在外部刺激下发生解离和重组，典型的例子包括温敏性水凝胶，在临界温度以上会发生凝胶-溶液相转变。REF_Ref21375\r\h[6]化学水凝胶则通过共价键相互交联形成的永久三维网络聚合物，如聚丙烯酰胺化学交联凝胶，其结构稳定且不可逆。（3）基于不同的环境刺激响应行为，水凝胶体系可分为惰性水凝胶和刺激响应性水凝胶两种主要类型。惰性水凝胶对周围环境参数（如温度、pH等）的变化不表现出明显的响应行为。与之相对，刺激响应性水凝胶具备环境感知能力，可对多种外部刺激（包括温度变化、pH波动、光照强度、离子强度等）产生特异性反应，并能引发相应的物理结构转变和化学性质改变乃至突变。依据刺激源的不同类别，刺激响应性水凝胶可进一步分为温敏型、pH敏感型、光敏型、电敏型和压敏型等。1.2聚丙烯酰胺类水凝胶1.2.1聚丙烯酰胺类水凝胶的简介聚丙烯酰胺类水凝胶是通过丙烯酰胺单体和N,N'-亚甲基双丙烯酰胺单体共聚合形成的三维网状结构的高分子化合物REF_Ref16649\r\h[8]REF_Ref21457\r\h。聚丙烯酰胺水凝胶独特的交联结构在凝胶内部形成了丰富的微孔通道，赋予水凝胶优异的持水能力和溶胀特性。REF_Ref21506\r\h[9]研究表明，通过调整聚合参数如引发剂浓度、反应温度和交联剂的配比，可精确调控凝胶的孔径大小和分布，通常情况下，增加交联剂的用量，会提高凝胶的交联聚合程度，导致孔隙减小，从而影响水凝胶的吸水性能和机械性能。REF_Ref21552\r\h[10]作为重要的功能高分子材料，该类水凝胶在多个领域展现应用潜力，但需注意聚丙烯酰胺水凝胶能降解产生神经毒性单体丙烯酰胺，因此在应用时必须严格把控其纯度和使用剂量。REF_Ref21578\r\h[11]1.2.2聚丙烯酰胺类水凝胶的应用聚丙烯酰胺水凝胶在水处理领域、石油开采领域、医药与生物医学等领域具有十分广泛的应用。在水处理领域，聚丙烯酰胺水凝胶可以用于净化污水和废水中的悬浮物和重金属等污染物，提高水质。REF_Ref21689\r\h[12]在石油开采领域，聚丙烯酰胺水凝胶可以用于增稠油井注水液，提高油田开采效果；可以控制油井中的水流速度，提高采油效率。REF_Ref21738\r\h[13]在医药与生物医学领域，聚丙烯酰胺水凝胶可以作为药物传递系统的载体，用于控制药物的释放速度和剂量。REF_Ref21777\n\h[14]1.3原料简介1.3.1丙烯酰胺(AM)丙烯酰胺（AM），化学式为C3H5NO，是一种分子量为71.08的白色晶体化合物，在常温常压稳定，易溶于水、乙醇、丙酮等极性溶剂。该单体具有显著的聚合特性，当温度超过84.5℃或者在光和氧化剂的作用下易发生聚合反应，在酸碱介质中会水解成丙烯酸。值得注意的是，丙烯酰胺具有显著的神经毒性作用，可能对中枢神经系统造成损伤，因此，在接触和使用丙烯酰胺时必须采取严格的防护措施。作为丙烯酰胺类化合物的基础单体，丙烯酰胺主要用于合成聚丙烯酰胺聚合物，聚丙烯酰胺在水处理净化、造纸工业及管道防护涂层等领域具有重要应用价值。REF_Ref21839\n\h[15]1.3.2甲基丙烯酸十八烷基酯(SMA)甲基丙烯酸十八烷基酯（SMA）,化学式为C22H42O2,是一种分子量为338.57的疏水性功能单体，常温下呈白色至近乎白色或近乎无色的蜡质状固体。作为重要的丙烯酸酯衍生物，该单体可通过自由基聚合机制参与共聚反应，特别是在与其他丙烯酸酯类单体共聚时，可显著改善聚合物的材料性能。基于其特殊分子结构，甲基丙烯酸十八烷基酯在多个工业领域具有重要应用价值，主要包括高性能油墨制备、特种涂料改性、粘合剂配方优化、皮革加工助剂等应用。1.3.3聚氧乙烯失水山梨醇醚硬脂酸酯(Tween60)聚氧乙烯失水山梨醇醚硬脂酸脂（Tween60）是一种具有两亲特性的非离子型表面活性剂,其化学式为C2H46O6▪（C2H4O）n,其中n代表聚氧乙烯链的节数，该化合物表现出优异的溶解特性：易溶于水、无水乙醇、乙酸乙酯等极性溶剂，但在非极性溶剂如脂肪油和液体石蜡中溶解度极低。聚氧乙烯失水山梨醇醚硬脂酸脂作为性能优良的表面活性剂，具有优异的乳化能力、稳定的分散性能、显著的增溶效果、良好的体系稳定性等，基于这些特性，该物质被广泛应用于化妆品制剂、洗涤用品配方、食品工业等领域。1.3.4N,N'-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)N,N′-亚甲基双丙烯酰胺（MBA），化学式为C7H10N2O2，是一种分子量为154.17的交联剂单体，在标准条件下呈现白色结晶粉末形态。N,N′-亚甲基双丙烯酰胺作为丙烯酰胺类聚合物的高效交联剂，在多个工程技术领域具有关键应用价值，主要包括石油开采、水工建筑材料、电力工程光敏材料等领域。1.4实验研究思路本实验采用非离子表面活性剂聚氧乙烯失水山梨醇醚硬脂酸酯（Tween60）作为添加剂，以疏水性单体甲基丙烯酸十八烷基酯（SMA）和亲水性单体丙烯酰胺（AM）为共聚体系，通过自由基共聚反应制备P(AM-SMA)水凝胶。采用傅立叶红外光谱对水凝胶的化学结构进行表征，确定其组成特征；通过系统研究不同环境因素如矿化度、pH值及Tween60添加量对水凝胶溶胀行为的影响规律；同时，采用力学性能测试方法考察Tween60的含量对水凝胶的拉伸性能、形变恢复性和重塑特性的调控作用。2实验部分2.1实验原理2.1.1实验合成原理本实验采用氧化还原体系实现P(AM-SMA)水凝胶的制备，其自由基共聚反应的机制包含三个关键阶段：（1）链引发阶段链引发作为自由基聚合反应中活性中心生成的关键环节，包含两个连续的反应阶段：第一步：在特定温度条件下，引发剂分子经历均裂过程，通过共价键断裂产生两个高活性初级自由基。I→2R•第二步：生成的初级自由基迅速与单体分子发生亲核加成，通过π键断裂形成相对稳定的单体自由基。（2）链增长阶段在聚合过程中，单体自由基不得不与烯烃分子的π键发生加成，这一过程不可避免地产生活性增长链。新生成的自由基无法不继续与其他单体分子作用，通过反复的双键活化构建延长的高分子骨架。REF_Ref21927\n\h[16]（3）链终止阶段自由基链终止可分为两种基本模式：偶合终止：两个增长链自由基通过电子云重叠形成σ键，实现链终止并生成稳定的大分子。歧化终止：通过氢原子转移实现链终止，产生两个饱和程度不同的聚合物分子。REF_Ref21973\n\h[17]2.1.2实验药品及仪器本实验所用主要化学试剂及仪器设备详见附表2-1与2-2。此外，实验过程中还涉及以下辅助材料：聚乙烯保鲜膜、50mL与100mL规格的玻璃烧杯、蒸馏水以及定量称量用滤纸等。表2-1实验药品名称规格生产厂家丙烯酰胺分析纯天津市大茂化学试剂厂甲基丙烯酸十八烷基酯分析纯上海阿拉丁生化科技有限公司聚氧乙烯失水山梨醇醚硬脂酸酯分析纯上海源叶生物科技有限公司N,N'-亚甲基双丙烯酰胺分析纯上海源叶生物科技有限公司氯化钠分析纯辽宁华东化学试剂厂浓硫酸分析纯沈阳市华东试剂厂氢氧化钠分析纯辽宁泉瑞试剂有限公司高纯氮Q100大庆雪龙石化技术开发有限公司A液—自制B液—自制表2-2实验仪器仪器型号生产厂台式万能试验机1ST天氏欧森测试设备（上海）有限公司多头磁力搅拌器HJ-6金坛市金分仪器有限公司集热式恒温加热磁力搅拌器DF-101S巩义市予华仪器有限责任公司高速万能粉碎机WDM广州市旭朗机械设备有限公司电子天平秤FA2204B上海精密科学仪器有限公司电热鼓风干燥箱201-3北京市永光明医疗仪器有限公司傅立叶变换红外光谱SPECTRUM-400美国PerkinEt公司2.1.3合成水凝胶用量P(AM-SMA)水凝胶合成用量见表2-3。编号AM(g)SMA(g)MBA(g)引发剂A液(ml)引发剂B液(ml)Tween60(g)水(g)溶液总质量(g)M120.000.500.0050.200.20029.09550.00M220.000.500.0050.200.200.0529.04550.00M320.000.500.0050.200.200.1028.99550.00M420.000.500.0050.200.200.1528.94550.00M520.000.500.0050.200.200.2028.89550.00M620.000.500.0050.200.200.3028.79550.00表2-3P(AM-SMA)水凝胶用量2.1.4P(AM-SMA）水凝胶的制备实验过程参照图2-1所示流程，于100mL玻璃反应器中依次加入精确称量的丙烯酰胺(AM)和Tween60表面活性剂，加入适量蒸馏水充分溶解后，继续加入甲基丙烯酸十八烷酯(SMA)直至完全溶解，最终体系质量为50g。如图2-2和2-3所示，将均相溶液转移至恒温磁力搅拌反应装置，持续通入氮气(1-2气泡/秒)。10min后依次滴加引发剂A、B溶液，调节搅拌速率并维持氮气氛围。待体系粘度显著增加后终止通气，并将反应液转移至预处理的试管中，插入成型模具并用聚乙烯薄膜密封，最后置于60℃恒温烘箱中反应6h以确保完全聚合。图2-1药品称量图2-2通氮装置图2-3通氮过程图2-4产物水凝胶2.2水凝胶的性能测试方法2.2.1水凝胶的红外测试将合成的水凝胶样品剪切成碎片，置于恒温烘箱中干燥。干燥完成后，采用玛瑙研钵进行精细研磨，并通过200目筛网筛分获得超细粉末。为进行红外光谱分析，将水凝胶粉末与溴化钾按1:100质量比混合并充分研磨均匀。使用YP-2型压片机（图2-5）制备KBr压片，随后采用傅立叶变换红外光谱仪（图2-6）对样品进行化学结构表征，以确定其分子组成和官能团结构。图2-5YP-2压片机图2-6傅立叶变换红外光谱分析仪2.2.2水凝胶的溶胀测试将P(AM-SMA)水凝胶M1-M6切割成2g左右的胶粒，每种水凝胶分成8份，并对48个胶粒进行称重，并记录胶粒的原始质量。然后将胶粒分别置于有氯化钠配制的盐溶液、不同酸碱度的溶液，常温密封放置，溶胀15天，定时记录共聚物水凝胶的溶胀情况，系统评估了矿化度（NaCl浓度）、pH值以及时间因素对合成水凝胶溶胀行为的协同影响机制。REF_Ref22045\n\h[18]溶胀度计算公式：胀度=溶胀后样品质量/溶胀前样品质量REF_Ref22175\n\h[19]在测试溶液矿化度与水凝胶溶胀度之间的关系时，将P(AM-SMA)水凝胶M1-M6胶粒分别置于浓度为0、500、1000、2000、3000mg/L的NaCl溶液中，定时测量并记录共聚物水凝胶的溶胀情况，研究矿化度对共聚物水凝胶溶胀性能的影响。在测试溶液酸碱度与水凝胶溶胀度之间的关系时，将P(AM-SMA)水凝胶M1-M6胶粒分别置于pH为4、7、9、11的溶液中，定时测量并记录共聚物水凝胶的溶胀情况，研究酸碱度对共聚物水凝胶溶胀性能的影响。图2-7水凝胶溶胀前图2-8水凝胶溶胀后为探究溶胀动力学行为，将P(AM-SMA)水凝胶样品(M1-M6)分别浸置于不同矿化度(0-3000mg/LNaCl溶液)和pH值(4-11)的溶液中。采用分段计时法采集溶胀数据：初始24小时内每2小时记录，随后48小时改为6小时间隔，第4-7天延长至12小时监测，最终阶段8-15天时采用每日记录模式，系统研究时间因素对水凝胶溶胀性能的影响规律。REF_Ref22270\n\h[20]2.2.3水凝胶的拉伸测试剪取一定长度的P(AM-SMA)水凝胶细条，如图2-9，记录水凝胶的半径及原始长度，并用镊子夹住水凝胶细条两端，如图2-10，进行拉伸长度测试，研究Tween60的添加量对共聚物水凝胶拉伸的影响。图2-9水凝胶拉伸前图2-10水凝胶拉伸后2.2.4水凝胶的形变测试为全面评价P(AM-SMA)水凝胶的机械性能，设计实施了系列形变实验，实验包括：水凝胶的拉伸、水凝胶的弯曲、水凝胶的打结、水凝胶的打结后拉伸。2.2.5水凝胶的承重测试对制备的P(AM-SMA)水凝胶胶条进行承重测试，将水凝胶细条穿过并将重物逐渐抬起，并悬停一段时间，测试水凝胶的最大承重重量。2.2.6水凝胶的重塑测试对制备的P(AM-SMA)水凝胶胶条进行重塑测试，首先裁取样品片段后装载至注射装置，并对其施加压力，使水凝胶片段在注射器中保持一段时间，使其在室温下进行塑性形变。3结果与讨论3.1水凝胶的红外表征及谱图分析利用SPECTRUM-400傅立叶变换红外光谱对制备的聚合物水凝胶进行红外扫描，得到如下谱图。图3-1样品P(AM-SMA)水凝胶的红外表征谱图图3-1为聚合物水凝胶的红外谱图，由图分析可知：3352cm-1与3192cm-1处为-NH基团的对称/反对称伸缩振动，1613cm-1对应-NH的弯曲振动，2930cm-1和2852cm-1分别归属为烷烃链的反对称与对称伸缩振动，2810cm-1处为亚甲基（-CH2-）的伸缩振动特征，1677cm-1处强吸收峰明确表征C=O伸缩振动，而1915cm-1与1278cm-1的谱带可指认为C-O键的振动模式，1424cm-1及1351cm-1处吸收峰对应于-CH₂的平面摇摆振动，1139cm-1处为-C≡N伸缩振动，998cm-1处特征峰确证了丙烯酸酯基（-COOR）的存在，970cm-1和823cm-1分别表征-CH的反式双取代与邻位双取代弯曲振动，639cm-1处吸收峰归属于脂肪族羧基的平面内变形振动，上述所有特征峰的协同作用，无可争议地证实了P(AM-SMA)水凝胶的成功合成。3.2水凝胶的溶胀性能评价3.2.1Tween60含量对溶胀性能影响图3-2为Tween60含量分别为0.00g、0.05g、0.10g、0.15g、0.20g、0.30g时，3天以及15天时P(AM-SMA)水凝胶在不同矿化度下的溶胀性能曲线。a)3天溶胀曲线b)15天溶胀曲线图3-2不同矿化度下的溶胀性能曲线图3-2展示了3天和15天时不同矿化度下P(AM-SMA)水凝胶的溶胀性能曲线，由图分析可知，第3天时，当矿化度为0mg/L时，Tween60的含量为0.00g时P(AM-SMA)水凝胶溶胀效果最好，可高达9.30倍，除此之外，Tween60的含量为0.15g时，P(AM-SMA)水凝胶展现出了较好的溶胀效果。第15天时，当矿化度为0mg/L时，Tween60的含量为0.05g时P(AM-SMA)水凝胶溶胀效果最好，溶胀度可高达13.06倍，除此之外，Tween60的含量为0.00g时，P(AM-SMA)水凝胶展现出了较好的溶胀效果。经过分析3天溶胀曲线可知，在矿化度为0mg/L、1000mg/L和3000mg/L的条件下，Tween60用量为0.00g时溶胀效果最好，展现了最佳溶胀性能，溶胀度分别达到了9.30倍、5.94倍和6.36倍，在矿化度为500mg/L条件下Tween60的含量为0.15g时溶胀效果最好，达到了6.04倍，在矿化度为2000mg/L时Tween60的含量为0.05g时溶胀效果最好，达到了6.52倍。经过分析15天溶胀曲线可知，在矿化度为500mg/L、1000mg/L和3000mg/L的条件下，Tween60用量为0.00g时溶胀效果最好，展现了最佳溶胀性能，溶胀度分别达到了7.96倍、8.42倍、8.51倍，在矿化度为0mg/L和2000mg/L的条件下，Tween60用量为0.05g时溶胀效果最好，达到了13.06倍和8.30倍。经过对比分析3天的溶胀曲线和15天的溶胀曲线可知，在不同矿化度下为使P(AM-SMA)水凝胶水凝胶达到最佳溶胀性能，所添加的Tween60的含量几乎相同。图3-3为Tween60含量分别为0.00、0.05、0.10、0.15、0.20、0.30g时，3天以及15天不同pH下P(AM-SMA)水凝胶的溶胀性能曲线。a)3天溶胀曲线b)15天溶胀曲线图3-3不同pH值下的溶胀性能曲线图3-3展示了3天和15天不同pH值下P(AM-SMA)水凝胶的溶胀性能曲线，由图分析可知，第3天时，当pH值为11时，Tween60的含量为0.00g时P(AM-SMA)水凝胶溶胀效果最好，可高达9.39倍，第15天时，当pH值为11时，Tween60的含量为0.00g时P(AM-SMA)水凝胶溶胀效果最好，可高达15.14倍。经过分析3天溶胀曲线可知，在pH值为4、7、11条件下，未添加Tween60的体系不可否认地表现出最优溶胀性能，其溶胀比分别达到6.15、9.30和9.39倍，显示出宽pH适应特性，值得注意的是，在pH=9的条件下，Tween60添加量为0.15g的样品展现了不可替代的溶胀优势，其溶胀比值达到了8.95倍，充分证明了表面活性剂含量与溶胀性能的非线性关系。经过分析15天溶胀曲线可知，当pH值为4和11时，Tween60的含量为0.00g时P(AM-SMA)水凝胶溶胀效果最好，溶胀度可高达8.26倍和15.14，当pH值为7和9时，Tween60的含量为0.05g时水凝胶的溶胀效果最好，展现了最佳溶胀性能，溶胀度为13.06倍和12.55倍。经过对比分析3天的溶胀曲线和15天的溶胀曲线可知，在不同pH值下为使P(AM-SMA)水凝胶水凝胶达到最佳溶胀性能，所添加的Tween60的含量几乎相同。3.2.2矿化度对溶胀性能的影响（1）图3-4为P(AM-SMA)水凝胶在矿化度为0mg/L下，3天和15天的溶胀性能曲线。a)3天溶胀曲线b)15天溶胀曲线图3-40mg/L下的溶胀性能曲线根据P(AM-SMA)水凝胶在矿化度0mg/L中的溶胀动力学曲线分析，水凝胶样品在前72小时内表现出显著的吸水速率提升，其溶胀比随时间呈非线性增长，展现出优异的溶胀动力学特性。由P(AM-SMA)水凝胶在矿化度为0mg/L下15天的溶胀曲线分析可知，水凝胶的溶胀速度呈现了先增加后趋于平缓的趋势，其中Tween60的含量为0.05g时呈现出了最好的溶胀效果，溶胀度为13.06倍，Tween60的含量为0.20g时呈现出了最差的溶胀效果，溶胀度为11.02倍。此外，P(AM-SMA)水凝胶在0mg/L下3天和15天的溶胀效果并不完全相同，从15天的溶胀效果来看，Tween60的添加量为0.05g时展现出了最佳溶胀效果，但从3天溶胀效果来看，Tween60的添加量为0.00g时展现出了最佳溶胀效果，其余Tween60含量的水凝胶的水凝胶的溶胀度几乎相同。（2）图3-5为P(AM-SMA)水凝胶在矿化度为500mg/L下，3天和15天的溶胀性能曲线。在500mg/L矿化度下，水凝胶在前3天的溶胀速率不可避免地较快，性能得到显著提升，长期观察（15天）发现，溶胀动力学无法不呈现先加速后趋缓的规律，且Tween60含量为0.00g的体系无可争议地表现出最佳溶胀能力，溶胀度为7.96倍。此外，P(AM-SMA)水凝胶在500mg/L下3天和15天的溶胀效果并不完全相同，从前3天的溶胀效果来看，Tween60的含量为0.15g展现出了最佳溶胀效果，但从15天的溶胀效果来看，Tween60的含量为0.15g的溶胀效果不如Tween60含量为0.00g、0.05g和0.30g的P(AM-SMA)水凝胶。a)3天溶胀曲线b)15天溶胀曲线图3-5500mg/L下的溶胀性能曲线（3）图3-6为P(AM-SMA)水凝胶在矿化度为1000mg/L下，3天和15天的溶胀性能曲线。a)3天溶胀曲线b)15天溶胀曲线图3-61000mg/L下的溶胀性能曲线由P(AM-SMA)水凝胶在矿化度为1000mg/L下3天的溶胀曲线分析可知，短期溶胀阶段(3天)水凝胶表现出快速的水合动力学特征，溶胀比呈现显著的时间依赖性增长。由P(AM-SMA)水凝胶在矿化度为1000mg/L下15天的溶胀曲线分析可知，水凝胶的溶胀速度呈现了先增加后趋于平缓的趋势，其中Tween60的含量为0.00g时呈现出了最好的溶胀效果，溶胀度为8.42倍。此外，P(AM-SMA)水凝胶在矿化度1000mg/L下3天和15天的溶胀效果并不完全相同，从前3天的溶胀效果来看，Tween60的含量为0.15g展现出了最佳溶胀效果，甚至大于Tween60含量为0.00g的水凝胶，但从15天的溶胀效果来看，Tween60的含量为0.00g的水凝胶呈现了最佳溶胀效果，溶胀度高达8.42倍，而Tween60含量为0.15g的水凝胶溶胀度仅为6.85倍。（4）图3-7为P(AM-SMA)水凝胶在矿化度为2000mg/L下，3天和15天的溶胀性能曲线。a)3天溶胀曲线b)15天溶胀曲线图3-72000mg/L下的溶胀性能曲线由P(AM-SMA)水凝胶在矿化度为2000mg/L下3天的溶胀曲线分析可知，随着溶胀时间的增加，水凝胶的溶胀速度较快，溶胀效果好，溶胀性能显著增加。由P(AM-SMA)水凝胶在矿化度为2000mg/L下15天的溶胀曲线分析可知，水凝胶的溶胀速度呈现了先增加后趋于平缓的趋势，其中Tween60的含量为0.05g时呈现出了最好的溶胀效果，溶胀度为8.30倍。此外，P(AM-SMA)水凝胶在2000mg/L下3天和15天的溶胀效果并不完全相同，从前3天溶胀效果来看，Tween60含量为0.05g的水凝胶展现出了最佳溶胀效果，溶胀度高达6.52倍，从15天的溶胀效果来看，Tween60含量为0.05g的水凝胶展现出了最佳溶胀效果，溶胀度高达8.30倍，总体来看Tween60含量为0.00g水凝胶虽然开始的溶胀速率最小，但最后所体现出的溶胀性能仅次于Tween60含量为0.05g的水凝胶，而Tween60含量为0.10g水凝胶展现出了最差的溶胀性能，溶胀度仅为6.26倍。（5）图3-8为P(AM-SMA)水凝胶在矿化度为3000mg/L下，3天和15天的溶胀性能曲线。a)3天溶胀曲线b)15天溶胀曲线图3-83000mg/L下的溶胀性能曲线由P(AM-SMA)水凝胶在矿化度为3000mg/L下3天的溶胀曲线分析可知，短期溶胀阶段(3天)表现出显著的水合动力学特征，溶胀比随时间呈指数增长趋势。由P(AM-SMA)水凝胶在矿化度为3000mg/L下15天的溶胀曲线分析可知，水凝胶的溶胀速度呈现了先增加后趋于平缓的趋势，其中Tween60的含量为0g时呈现出了最好的溶胀效果，溶胀度为8.51倍。此外，P(AM-SMA)水凝胶在3000mg/L下3天和15天的溶胀效果并不完全相同，前3天Tween60的含量为0.00g时呈现出了最好的溶胀效果，其余Tween60含量对水凝胶的溶胀效果影响几乎相同，从15天的溶胀效果来看，Tween60含量为0.00g时水凝胶的溶胀效果最好，且远大于其余Tween60含量的水凝胶，除Tween60含量为0.00g的水凝胶外，其余Tween60含量的水凝胶的溶胀效果几乎相同。3.2.3酸碱度对溶胀性能的影响（1）如图3-9所示，P(AM-SMA)水凝胶在酸性环境pH=4中3天和15天的溶胀动力学特征表现：由P(AM-SMA)水凝胶在pH值为4下3天的溶胀曲线分析可知，随着溶胀时间的增加，水凝胶的溶胀速度较快，溶胀效果好，溶胀性能显著增加。由P(AM-SMA)水凝胶在pH值为4下15天的溶胀曲线分析可知，水凝胶在初始快速吸水后进入溶胀平衡期，其中未添加Tween60的样品展现出最优异的溶胀性能，最终平衡溶胀比达8.26倍。此外，P(AM-SMA)水凝胶在3000mg/L下3天和15天的溶胀效果并不完全相同，在第1天时,Tween60的含量对水凝胶的溶胀效果几乎相同，但在第2天时，Tween60的含量为0.00g时P(AM-SMA)水凝胶展现出了最佳溶胀效果。从15天的溶胀效果来看，Tween60的含量为0.00g时，P(AM-SMA)水凝胶的溶胀效果最佳，溶胀度高达8.26倍，Tween60的含量为0.10g时，P(AM-SMA)水凝胶溶胀效果最差溶胀度仅为5.93倍。a)3天溶胀曲线b)15天溶胀曲线图3-9pH=4下的溶胀性能曲线图3-10为P(AM-SMA)水凝胶在pH值为7时，3天和15天的溶胀曲线。a)3天溶胀曲线b)15天溶胀曲线图3-10pH=7下的溶胀性能曲线由P(AM-SMA)水凝胶在pH值为7下3天的溶胀曲线分析可知，随着溶胀时间的增加，水凝胶的溶胀速度较快，溶胀效果好，溶胀性能显著增加。由P(AM-SMA)水凝胶在pH值为7下15天的溶胀曲线分析可知，水凝胶的溶胀速度呈现了先增加后趋于平缓的趋势，其中Tween60的含量为0.05g时呈现出了最好的溶胀效果，溶胀度为13.06倍，Tween60的含量为0.20g时呈现出了最差的溶胀效果，溶胀度为11.02倍。此外，P(AM-SMA)水凝胶在pH值为7下3天和15天的溶胀效果并不完全相同，从15天的溶胀效果来看，Tween60的添加量为0.05g时展现出了最佳溶胀效果，Tween60的含量为0.00g水凝胶的溶胀效果仅次于Tween60的含量为0.05g的水凝胶，溶胀度为13.00倍，而其余Tween60含量的水凝胶的溶胀效果几乎相同，但从3天溶胀效果来看，Tween60的添加量对溶胀效果的影响几乎相同。图3-11为P(AM-SMA)水凝胶在pH值为9时，3天和15天的溶胀曲线。a)3天溶胀曲线b)15天溶胀曲线图3-11pH=9下的溶胀性能曲线由P(AM-SMA)水凝胶在pH值为9下3天的溶胀曲线分析可知，随着溶胀时间的增加，水凝胶的溶胀速度较快，溶胀效果好，溶胀性能显著增加。由P(AM-SMA)水凝胶在pH值为9下15天的溶胀曲线分析可知，水凝胶的溶胀速度呈现了先增加后趋于平缓的趋势，其中Tween60的含量为0.05g时呈现出了最好的溶胀效果，溶胀度为12.55倍。此外，P(AM-SMA)水凝胶在pH值为9下3天和15天的溶胀效果并不完全相同，从前3天来看，Tween60含量为0.15g的水凝胶的溶胀效果最好，溶胀度高达8.95倍，Tween60含量为0.05g、0.10g、0.20g的水凝胶溶胀效果几乎相同，Tween60含量为0.00g的水凝胶呈现出了最差的溶胀效果，但从15天的溶胀效果来看，Tween60含量为0.00g的水凝胶溶胀效果有所增加，甚至超过了Tween60含量为0.20g的水凝胶。图3-12为P(AM-SMA)水凝胶在pH值为11时,3天和15天的溶胀曲线。由P(AM-SMA)水凝胶在pH值为11下3天的溶胀曲线分析可知，短期溶胀阶段(3天)水凝胶表现出显著的水合动力学特征，溶胀比随时间呈指数增长趋势。由P(AM-SMA)水凝胶在pH值为11下15天的溶胀曲线分析可知，水凝胶的溶胀速度呈现了先增加后趋于平缓的趋势，其中Tween60的含量为0.00g时呈现出了最好的溶胀效果，溶胀度为15.14倍。此外，P(AM-SMA)水凝胶在pH值为9下3天和15天的溶胀效果并不完全相同，从前3天来看，Tween60的含量为0.00g、0.10g、0.20g的溶胀效果几乎相同，展现了较好的溶胀性能，Tween60的含量为0.30g的水凝胶呈现出了最差的溶胀效果，但从15天的溶胀效果来看，Tween60的含量为0.30g的水凝胶的溶胀效果有所上升，甚至超过了Tween60的含量为0.15g和0.20g的水凝胶。Tween60的含量为0.00g的水凝胶溶胀效果最为明显，远远超过其余含量的水凝胶的溶胀度。a)3天溶胀曲线b)15天溶胀曲线图3-12pH=11下的溶胀性能曲线3.3水凝胶的拉伸性能评价图3-14为Tween60含量为0.00g、0.05g、0.10g、0.15g、0.20g、0.30g时P(AM-SMA)水凝胶的拉伸性能曲线。图3-14P(AM-SMA)水凝胶拉伸性能曲线图3-14展示了P(AM-SMA)水凝胶的拉伸性能曲线，揭示了Tween60含量对材料力学性能的非单调性影响，由图可知，不同Tween60含量的水凝胶的拉伸效果不同，总体呈现出上升-下降-回升的复杂趋势，其中M3(Tween60含量为0.10g）水凝胶的拉伸效果最好，可达7.80倍，M1（Tween60含量为0.0g）水凝胶表现出最低的延展性，仅有5.60倍。说明拉伸度与Tween60的含量有关，但并没有呈现出明确的正相关性。3.4水凝胶的形变性能评价图3-15系统展示了P(AM-SMA)水凝胶的多尺度结构形变特征：分别为水凝胶的原始形态、水凝胶的弯曲形态、水凝胶的打结形态，水凝胶的打结后拉伸形态。a)水凝胶原始形态b)水凝胶弯曲形态b)水凝胶打结形态d)水凝胶打结后拉伸形态图3-15P(AM-SMA)水凝胶形变测试照片经过以上形变测试，可以看出水凝胶细条有良好的形变能力，通过弯曲、打结、打结后拉伸，表明水凝胶有良好的机械性能，呈现了良好的机械韧性，证实得到了形变性能良好的P(AM-SMA)水凝胶。3.5水凝胶的承重性能评价图3-16展示了P(AM-SMA)水凝胶的承载性能测试照片：准备1.5kg重物，幷使水凝胶胶条穿过重物，并给水凝胶胶条施加垂直向上向上的牵引力，并维持静态承载状态60秒以评估其持久性能。a)约1.5kg重物称重b)胶条的提拉图3-16P(AM-SMA)水凝胶承重测试照片由图3-16可以观察到，在1.5kg载荷作用下，水凝胶试样呈现显著弹性形变，材料虽经历大变形却保持结构完整性，并未发生断裂失效，说明制备的P(AM-SMA)水凝胶具有优异的承载能力。3.6水凝胶的重塑性能评价图3-17为P(AM-SMA)水凝胶的重塑测试图片，将制备的水凝胶剪切一小部分，使其放入注射器中，并给注射器施加一定压力，室温保持此形态进行塑性，5天后观察水凝胶的形态变化。a)水凝胶原始形态b)水凝胶重塑c)水凝胶重塑结束图3-17P(AM-SMA)水凝胶重塑测试照片由图3-17可以看出，经过5天的重塑，水凝胶前端精确复现了注射器前端的几何形貌，说明制备得到了P(AM-SMA)水凝胶具有优异的形状记忆性能。结论通过研究六种不同Tween60的含量对P(AM-SMA)水凝胶各种性能的影响。可得出如下结论：利用傅立叶变换红外光谱仪对制备的水凝胶进行红外光谱分析，主要存在以下特征峰：2810cm-1归属于亚甲基-CH2-的对称伸缩振动，998cm-1对应丙烯酸酯基团-COOR的特征振动模式，证明了酯基的存在，这些特征峰的出现无可争议地证实了目标产物P(AM-SMA)的成功制备。通过Twe